CN1699914A - 用于测量晶片台平移的外差激光干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量沿第一轴的位移的系统和方法，所述系统包括：可以至少沿垂直于所述第一轴的第二轴移动的装置；在相对于所述第一轴大于0°的角度下安装到所述装置的测量镜；和带光束分光器的干涉仪。所述光束分光器将输入束分成测量束和参考束，将所述测量束引导到所述测量镜至少两遍，并将所述参考束和所述至少两遍之后的所述测量束组合成输出束。至少在所述干涉仪之外，所述测量束在不平行于所述第一轴的路径中行进。

Description

用于测量晶片台平移的外差激光干涉仪

技术领域

本发明涉及用于测量晶片台平移的外差激光干涉仪。

背景技术

图1图示了用于获取台子10沿Z轴20(例如曝光光轴或焦轴)的位置的系统。在Loopstra的美国专利No.6,208,407中详细描述了该方法。晶片12被支撑在台子10上以由投射光学器件或曝光工具14来曝光。该系统的一个优点是，虽然干涉仪16位于台子10的侧面上，但也可以获得精确的Z轴测量。这是通过正确地定位镜面来实现的，这些镜面建立了与曝光系统的Z轴20平行的Z测量轴18。将镜面22布置为与台子10沿着X或Y轴的运动成45度角。来自干涉仪16的测量束24射到镜面22来建立Z测量轴18。水平镜面26被安装到曝光系统的结构28上，使得束被重定向到镜面22，镜面22将返回的束24反射到干涉仪16。除了测量束24之外，干涉仪还投射参考束30以从台子10的垂直表面31反射。

如图1可见，台子10沿着Z轴20的运动将导致从45度角镜面22到水平镜面26的光束路径段的长度的变化。这样，虽然干涉仪16位于台子的侧面上，测量束24的路径段的长度与台子10的Z轴移动一致地变化。实际上，从水平镜面26到45度角镜面22的反射提供了与台10的Z轴移动一致地变化的第二光路路径段。另一方面，参考束30的每个束路径段的长度是固定的，除非台子10沿X方向移动。

虽然参考图1所描述的方法对于其所要解决的目的工作得不错，但是还有成本的考虑，因为水平镜面26是要求高平面度的相对较大的反射部件。而且，随着集成电路的特征线宽的降低，投射光学器件14的投射透镜的大小在增加。在图1中，这将导致投射光学器件14的直径增大。结果，要求水平镜面26容纳台子10的整个运动范围，对于实现线宽的进一步减小加上了潜在的困难。

发明内容

在本发明的一个实施例中，一种用于测量沿第一轴的位移的系统包括：可以至少沿垂直于所述第一轴的第二轴移动的装置；在相对于所述第一轴大于0°的角度θ下安装到所述装置的测量镜；和带光束分光器的干涉仪。所述光束分光器将输入束分成测量束和参考束，将所述测量束引导到所述测量镜至少两遍，并将所述参考束和所述至少两遍之后的所述测量束组合成输出束。至少在所述干涉仪之外，所述测量束在不平行于所述第一轴的路径中行进。

附图说明

图1图示了一种用于获取晶片台沿着Z轴的位移的现有技术系统。

图2、3A、3B、4A和4B图示了在本发明的一个实施例中用于获取晶片台沿着Z轴的位移的系统。

图5、6A、6B、7A和7B图示了在本发明的另一个实施例中用于获取晶片台沿着Z轴的位移的系统。

具体实施方式

图2图示了本发明的一个实施例中的干涉仪系统100，其使用干涉仪101来测量晶片台102沿着Z轴(例如光刻焦轴)的位移。激光头104生成由两个正交偏振频率分量组成的相干准直输入束。一个频率分量f_A(例如具有P偏振的测量束)进入干涉仪的测量路径，而另一个频率分量f_B(例如具有S偏振的参考束)进入干涉仪的参考路径。

在测量路径中，偏振束分光器106将频率分量f_A通过四分之一波片108传输到测量平面镜110上。测量平面镜110在与Z轴成θ角的情况下安装到晶片台102的侧面上。测量平面镜110将频率分量f_A正交地反射到光束转向镜112上。在一个实施例中，角度θ小于45度，于是测量平面镜110将频率分量f_A反射离开晶片台102并避免现有技术方法的不利之处。

光束转向镜112的角度为2θ，以在标准的台定向(台子没有沿Z轴旋转)下将频率分量f_A沿着输入路径返回到偏振束分光器106。因为频率分量f_A再次穿过四分之一波片108，所以返回的偏振旋转了90度，并且该新的S偏振的频率分量f_A被偏振束分光器106反射到立方隅角回射器(cube corner retroreflector)114中。

回射器114使频率分量f_A在平行但偏移的路径中返回到偏振束分光器106，偏振束分光器106再次将频率分量f_A反射通过四分之一波片108，而射到测量平面镜110上。与上述类似地，测量平面镜110将频率分量f_A正交地反射到光束转向镜112，光束转向镜112将频率分量f_A沿着输入路径返回到偏振束分光器106。因为频率分量f_A再次穿过四分之一波片108，所以返回的偏振旋转了90度，并且该新的P偏振的频率分量f_A通过偏振束分光器106传输到接收器116上。

在参考路径中，偏振束分光器106将频率分量f_B反射通过四分之一波片118，并正交射到参考平面镜120上。参考平面镜120将频率分量f_B沿着输入路径返回到偏振束分光器106。因为频率分量f_B再次穿过四分之一波片118，所以返回的偏振旋转了90度，并且该新的P偏振的频率分量f_B通过偏振束分光器106传输到回射器114中。回射器114使频率分量f_B在平行但偏移的路径中返回到偏振束分光器106。

偏振束分光器106再次使频率分量f_B传输通过四分之一波片118，并正交传输到参考平面镜120上。参考平面镜120将频率分量f_B沿着输入路径返回到偏振束分光器106。因为频率分量f_B再次穿过四分之一波片118，所以返回的偏振旋转了90度，并且该新的S偏振的频率分量f_B被偏振束分光器106与频率分量f_A同轴地反射，作为输出束119射到接收器116上。

接收器116包括混和偏振器、光电检测器(例如光电二极管)、放大器和用于随着台子102的平移检测输出束119的相移的相位检测电子器件。然后将该相移关联到台子的平移。注意到，测量束仅仅在由Z和X轴限定的平面中行进，所以任何沿Y轴的位移将不会影响Z位移的测量。测量镜110在Y方向上的不平整可能影响Z位移的测量，但是校准方案可以减少这个误差来源。

图3A和3B图示了如果台子102沿着Z轴平移了D_Z的距离，则测量束所行进的距离改变了距离D_M。距离D_M传统上是从输出束119的相移确定的。然后如下通过三角法将距离D_M关联到Z位移D_Z：

D₁＝D_Z tan(θ)；

D₂＝D_Z tan(θ)cos(2θ)；

D_M＝4(D₁+D₂)，其可以被改写为：

D_M＝4D_Z tan(θ)[1+cos(2θ)]，其可以被改写为：

D_M＝4D_Z sin(2θ)，其可以被改写为：

$D_Z=\frac{D_M}{4\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)}.----\left(1\right)$

图4A和4B图示了如果台子102沿着Z和X轴两者平移，则所测量的距离D_M包括来自Z位移D_Z和X位移D_X的分量。这样，为了确定Z位移D_Z，就必须首先确定X位移D_X。X位移D_X在传统上可以由被布置来测量沿X轴的位移的另一个干涉仪来确定。一旦确定了X位移D_X，则如下通过三角法将来确定Z位移D_Z：

D₁′＝D_X；

D₂′＝D_X cos(2θ)；

D_M＝4[D₁+D₁′+D₂+D₂′]，其可以被改写为：

D_M＝4[D_Z tan(θ)+D_X+D_Z tan(θ)cos(2θ)+D_X cos(2θ)]，其可以被改写为：

D_M＝4D_Z tan(θ)[1+cos(2θ)]+4D_X[1+cos(2θ)]，其可以被改写为：

D_M＝4D_Z sin(2θ)+4D_X[1+cos(2θ)]，其可以被改写为：

$D_Z=\frac{D_M}{4\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)}-\frac{4D_X[1+\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)]}{4\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)},$ 其可以被改写为：

$D_Z=\frac{D_M}{4\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)}-\frac{D_X}{\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}.----\left(2\right)$

相同的公式可以被修改，如果测量束在由Z和Y轴所限定的平面中行进，而使得任何沿着X轴的位移都将不影响Z位移的测量。

$D_Z=\frac{D_M}{4\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)}-\frac{D_Y}{\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}.----\left(3\right)$

其中D_Y是任何沿着Y轴的位移。坐标系统的选择是任意的，但是会影响在前面的等式中出现的符号。

图5图示了本发明的一个实施例中的干涉仪系统200，其使用干涉仪201来测量晶片台102沿着Z轴(例如光刻焦轴)的位移。激光头104成由两个正交偏振频率分量组成的相干准直输入束。一个频率分量f_A(例如具有P偏振的测量束)进入干涉仪的测量路径，而另一个频率分量f_B(例如具有S偏振的参考束)进入干涉仪的参考路径。

在测量路径中，偏振束分光器206将频率分量f_A通过四分之一波片208传输到测量平面镜210上。激光头104和干涉仪201被布置成使得频率分量f_B正交地射到测量平面镜210上。这样，测量平面镜210在标准的台定向下将频率分量f_A沿着输入路径返回到偏振束分光器206。因为频率分量f_A再次穿过四分之一波片208，所以返回的偏振旋转了90度，并且该新的S偏振的频率分量f_A被偏振束分光器206反射到立方角回射器214中。

回射器214使频率分量f_A在平行但偏移的路径中返回到偏振束分光器206，偏振束分光器206再次将频率分量f_A反射通过四分之一波片208，而射到测量平面镜210上。同样，频率分量f_A正交地射到测量平面镜210上。于是，测量平面镜210将频率分量f_A沿着输入路径返回到偏振束分光器206。因为频率分量f_A再次穿过四分之一波片208，所以返回的偏振旋转了90度，并且该新的P偏振的频率分量f_A通过偏振束分光器206传输到接收器116上。

在参考路径中，偏振束分光器206将频率分量f_B反射通过四分之一波片218，并正交射到参考平面镜220上。参考平面镜220将频率分量f_B沿着输入路径返回到偏振束分光器206。因为频率分量f_B再次穿过四分之一波片218，所以返回的偏振旋转了90度，并且该新的P偏振的频率分量f_B通过偏振束分光器206传输到回射器214中。回射器214使频率分量f_B在平行但偏移的路径中返回到偏振束分光器206。

偏振束分光器206再次使频率分量f_B传输通过四分之一波片218，并正交传输到参考平面镜220上。参考平面镜220将频率分量f_B沿着输入路径返回到偏振束分光器206。因为频率分量f_B再次穿过四分之一波片218，所以返回的偏振旋转了90度，并且该新的S偏振的频率分量f_B被偏振束分光器206与频率分量f_A同轴地反射，作为输出束219射到接收器116上。

与上述类似地，接收器116包括光电检测器(例如光电二极管)、放大器和用于随着台子102的平移来检测重新组合的频率分量f_A和f_B的相移的相位检测电子器件。然后将该相移关联到台子的平移。注意到，测量束仅仅在由Z和X轴限定的平面中行进，所以任何沿Y轴的位移将不会影响Z位移的测量。测量镜210在Y方向上的不平整可能影响Z位移的测量，但是校准方案可以减少这个误差来源。

图6A和6B图示了如果台子102沿着Z轴平移了D_Z的距离，则测量束所行进的距离改变了距离D_M。距离D_M是从输出束219的相移确定的。然后如下通过三角法将距离D_M关联到Z位移D_Z：

D₃＝-D_Z sin(θ)；

D_M＝4D₃，其可以被改写为：

D_M＝-4D_Z sin(θ)，其可以被改写为：

$D_Z=\frac{D_M}{4\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}.----\left(4\right)$

图7A和7B图示了如果台子102沿着Z和X轴两者平移，则所测量的距离D_M包括来自Z位移D_Z和X位移D_X的分量。这样，为了确定Z位移D_Z，就必须首先确定X位移D_X。X位移D_X在传统上可以由被布置来测量沿X轴的位移的另一个干涉仪来确定。一旦确定了X位移D_X，则如下通过三角法将来确定Z位移D_Z：

D₄＝-D_X cos(θ)；

D_M＝4[D₃+D₄]，其可以被改写为：

D_M＝-4D_Z sin(θ)-4D_X cos(θ)，其可以被改写为：

$D_Z=\frac{D_M}{4\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}-\frac{D_X}{\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}.----\left(5\right)$

类似地，等式(5)可以用来确定Z位移D_Z，如果测量束在由Z和Y轴所限定的平面中行进，而使得任何沿着X轴的位移都将不影响Z位移的测量。

$D_Z=-\frac{D_M}{4\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}-\frac{D_Y}{\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}.----\left(6\right)$

坐标系统的选择是任意的，但是会影响在前面的等式中出现的符号。

本发明的一个优点直接来自于将测量平面镜(例如镜面110或210)布置在可移动装置(例如晶片台102)的侧面上，这允许比现有技术更小，并且更重要的是更便宜的平面镜。这是因为Loopstra专利中的测量平面镜必须容纳沿X、Y和Z轴的全范围移动，而本发明中的测量平面镜仅仅需要容纳沿两个轴(例如X和Z轴)的全范围移动。

在光刻和其他可能的光学应用中，设置风淋器(air shower)以用于例如冷却和减少污染的目的。风淋器的均匀性可能是重要的，因为风淋器中的扰动可能引起空气折射率的波动，这又引起由激光干涉仪所测量的相移的波动。通过去掉Loopstra专利中所描述的水平测量平面镜，本发明改进了风淋器的均匀性并减少了干涉仪测量中的误差。

所公开实施例的特征的各种其他改变和组合都在本发明的范围内。虽然举例的实施例利用了平面镜和立方角回射器，但是可以用其他反射、折射、衍射和全息部件来代替。此外，虽然上面描述了标准的台对准，但是台子可以在对检测器提供足够信号的角度范围内绕Z轴旋转。所附权利要求覆盖大量的实施例。

Claims (20)

1.一种用于测量沿第一轴的位移的系统，包括：

可以至少沿第二轴移动的装置；

在相对于所述第一轴大于0°的角度下安装到所述装置的测量镜；和

包括光束分光器的干涉仪，所述光束分光器用于将输入束分成测量束和参考束、将所述测量束引导到所述测量镜至少两遍、并将所述参考束和所述至少两遍之后的所述测量束组合成输出束，其中，至少在所述干涉仪之外，所述测量束在不平行于所述第一轴的路径中行进。

2.如权利要求1所述的系统，其中如下来测量沿所述第一轴的所述位移：

$D_Z=\frac{D_M}{4\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)}-\frac{D_{X/Y}}{\tan \left(\mathrm{\θ}\right)},$

其中D_Z是沿所述第一轴的所述位移，D_M是所述测量束行进的距离的变化，D_X/Y是沿所述第二轴的任何位移，并且θ是所述角度。

3.如权利要求1所述的系统，还包括在相对于所述第一轴两倍于所述角度的情况下安装的转向镜，以将所述测量束沿着相同的路径反射回到所述测量镜。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述干涉仪还包括：

第一四分之一波片；

第二四分之一波片；

参考镜；

回射器；

其中所述测量束在这样的路径中行进，所述路径包括所述光束分光器、所述第一四分之一波片、所述测量镜、所述转向镜、所述测量镜、所述第一四分之一波片、所述光束分光器、所述回射器、所述光束分光器、所述第一四分之一波片、所述测量镜、所述转向镜、所述测量镜、所述第一四分之一波片、所述光束分光器和检测器；以及

其中所述参考束在这样的路径中行进，所述路径包括所述光束分光器、所述第二四分之一波片、所述参考镜、所述第二四分之一波片、所述光束分光器、所述回射器、所述光束分光器、所述第二四分之一波片、所述参考镜、所述第二四分之一波片、所述光束分光器和所述检测器。

5.如权利要求2所述的系统，其中所述装置包括晶片台，所述第一轴包括光刻焦轴，并且所述第二轴是从由X轴和Y轴所组成的组中选择的。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述干涉仪和所述转向镜位于所述晶片台沿着所述第二轴的行进范围之外。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述角度相对于所述第一轴小于45

8.如权利要求1所述的系统，其中所述测量束包括所述输入束的第一频率分量并具有第一偏振态，所述参考束包括所述输入束的第二频率分量并具有第二偏振态。

9.如权利要求1所述的系统，还包括光源，其中所述光源和所述干涉仪被定向为将所述测量束引导来正交地射到所述测量镜，并且所述测量镜在标准的台定向下沿着相同的路径将所述测量束反射回到所述干涉仪。

10.如权利要求9所述的系统，其中如下来测量沿所述第一轴的所述位移：

$D_Z=-\frac{D_M}{4\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}-\frac{D_{X/Y}}{\tan \left(\mathrm{\θ}\right)},$

其中D_Z是沿所述第一轴的所述位移，D_M是所述测量束行进的距离的变化，D_X/Y是沿所述第二轴的任何位移，并且θ是所述角度。

11.一种用于确定装置沿第一轴的位移的方法，其中所述装置可沿第二轴移动，所述方法包括：

使用干涉仪来将测量束引导到在相对于所述第一轴大于0°的角度下安装到所述装置的测量镜至少两遍，其中，至少在所述干涉仪之外，所述测量束在不平行于所述第一轴的路径中行进；

使用所述干涉仪来将参考束和所述至少两遍之后的所述测量束组合成输出束；

检测所述输出束的相位变化；

从所述相位变化来确定所述测量束所行进的距离的变化；以及

从第一位移来确定所述装置沿所述第一轴的位移。

12.如权利要求11所述的方法，其中如下来确定所述位移：

$D_Z=\frac{D_M}{4\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)}-\frac{D_{X/Y}}{\tan \left(\mathrm{\θ}\right)},$

其中D_Z是所述位移，D_M是所述变化，D_X/Y是所述装置沿所述第二轴的任何位移，并且θ是所述角度。

13.如权利要求11所述的方法，还包括：

从所述测量镜反射所述测量束以正交地射到转向镜，其中所述转向镜将所述测量束沿着相同的路径反射回到所述测量镜。

14.如权利要求13所述的方法，其中：

将所述测量束引导到测量镜至少两遍的所述步骤包括在这样的测量路径中引导所述测量束，所述测量路径包括光束分光器、第一四分之一波片、所述测量镜、所述转向镜、所述测量镜、所述第一四分之一波片、所述光束分光器、回射器、所述光束分光器、所述第一四分之一波片、所述测量镜、所述转向镜、所述测量镜、所述第一四分之一波片、所述光束分光器和检测器；

所述参考束在这样的参考路径中行进，所述参考路径包括所述光束分光器、第二四分之一波片、参考镜、所述第二四分之一波片、所述光束分光器、所述回射器、所述光束分光器、所述第二四分之一波片、所述参考镜、所述第二四分之一波片、所述光束分光器和所述检测器。

15.如权利要求11所述的方法，其中所述装置包括晶片台，所述第一轴包括光刻焦轴，并且所述第二轴是从由X轴和Y轴所组成的组中选择的。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述干涉仪和所述转向镜位于所述晶片台沿着所述第二轴的行进范围之外。

17.如权利要求11所述的方法，其中所述角度相对于所述第一轴小于45°。

18.如权利要求11所述的方法，其中所述测量束包括所述输入束的第一频率分量并具有第一偏振态，所述参考束包括所述输入束的第二频率分量并具有第二偏振态。

19.如权利要求11所述的方法，其中所述测量束被引导来正交地射到所述测量镜，并且所述测量镜在标准的台定向下沿着相同的路径将所述测量束反射回到所述干涉仪。

20.如权利要求19所述的方法，其中如下来测量沿所述第一轴的所述位移：

$D_Z=-\frac{D_M}{4\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}-\frac{D_{X/Y}}{\tan \left(\mathrm{\θ}\right)},$

其中D_Z是所述位移，D_M是所述变化，D_X/Y是沿所述第二轴的任何位移，并且θ是所述角度。

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